溶膠凝膠法制備高強(qiáng)高導(dǎo)納米彌散強(qiáng)化銅的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，特別涉及溶膠凝膠法制備納米氧化鋁彌散強(qiáng)化銅的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米彌散強(qiáng)化銅合金，又稱氧化鋁銅(Cu-Al2O3)，是一種優(yōu)異的高強(qiáng)、高導(dǎo)材料，可用做電氣工程開關(guān)觸橋、連鑄機(jī)結(jié)晶器內(nèi)襯、集成電路引線框架、大功率異步牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)子、電氣化鐵路接觸導(dǎo)線(電車線)、熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)偏濾器垂直靶散熱片、高脈沖磁場導(dǎo)體材料等，并且在這些領(lǐng)域有著其它材料不可替代的優(yōu)勢，比鉻鋯銅材料具有更優(yōu)秀的高強(qiáng)高導(dǎo)及高溫穩(wěn)定性，是重要的新型備選材料。
[0003]由于納米級Al2O3對基體銅的彌散強(qiáng)化作用，該合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高導(dǎo)電率及高軟化溫度等特性。常溫硬度高，隨著溫度升高，硬度下降幅度小，高溫抗蠕變性能好。熱、電傳導(dǎo)率高，加工性能優(yōu)良。軟化溫度高達(dá)930°C，導(dǎo)電率高達(dá)85% IACS，散熱性能介于鎢銅(220W/m.k)以及純銅(390W/m.k)之間。強(qiáng)度高，疲勞性能和耐磨性能好。
[0004]常見的制備方法為內(nèi)氧化法等。美國SCM公司采用內(nèi)氧化法，已形成月產(chǎn)18噸、四種牌號(C15710、C15720、C15735、C15760) Cu-Al2O3的生產(chǎn)規(guī)模，含 Al 2030.2% 的銅合金，導(dǎo)電率達(dá)90 % IACS,彈性模量為108GPa，室溫強(qiáng)度為500MPa。含Al2O3L 2 %的銅合金，導(dǎo)電率達(dá)80% IACS,彈性模量為140GPa，室溫強(qiáng)度為620MPa。目前德國、俄羅斯、日本彌散強(qiáng)化銅合金均能工業(yè)化生產(chǎn)，而生產(chǎn)工藝仍然處于保密中。國內(nèi)廣州某研究院正在中等規(guī)模試驗(yàn)用內(nèi)氧化法生產(chǎn)彌散強(qiáng)化銅。其它科研院、公司由于存在批量生產(chǎn)性能不穩(wěn)定等問題，相繼放棄該項(xiàng)目。因此，國內(nèi)彌散強(qiáng)化銅棒材事實(shí)上依然依賴進(jìn)口，在軍用高端電真空和無冷卻超強(qiáng)電流線圈、導(dǎo)體(如電磁炮元件)領(lǐng)域，受到國外的進(jìn)口限制。
[0005]目前已有的材料及制備技術(shù)中，存在的主要問題是:質(zhì)量不穩(wěn)定，如內(nèi)氧化法因氧擴(kuò)散不完全造成質(zhì)量不穩(wěn)定，氧源如果不能完全還原，雜質(zhì)氧會影響導(dǎo)電率、高溫強(qiáng)度，特別是作為電真空元件的材料使用時會出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，出現(xiàn)裂紋；氧化鋁分布不均勻；內(nèi)氧化法工序復(fù)雜、成材率低使成本難以降低。因此，需要開發(fā)一種質(zhì)量穩(wěn)定、低成本、納米氧化鋁易均勻分布的新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供一種成本低、短流程、微納米氧化鋁均勻分布、質(zhì)量穩(wěn)定的氧化鋁彌散強(qiáng)化銅的制備方法。
[0007]本發(fā)明提供了溶膠凝膠法制備納米彌散強(qiáng)化銅的方法，用硝酸鋁與氨水反應(yīng)，生成氫氧化鋁膠體，將銅粉與膠體混合均勻后行星球磨，加熱獲得微納米尺寸的納米氧化鋁，壓制后燒結(jié)，然后一次冷加工、熱處理，再冷加工至成品尺寸，獲得微納米氧化鋁均勻分布的彌散強(qiáng)化銅的棒坯。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0009]—種溶膠凝膠法制備高強(qiáng)高導(dǎo)納米彌散強(qiáng)化銅的制備方法，包括銅和納米Al2O3和雜質(zhì)元素；各成分比例為:銅99.6-99.2wt.% ;納米A1203:0.02-1.5wt.% ;雜質(zhì)元素低于 0.06wt.%，成份包括鐵、鉛、硼，鐵< 0.01wt%，鉛< 0.01wt%j|K 0.008wt%，雜質(zhì)元素。本合金中，添加了納米Al2O3做為彌散強(qiáng)化相，具有熔點(diǎn)高、高溫穩(wěn)定性能好、硬度高，能以納米級尺分布于銅基體中，在接近銅基體熔點(diǎn)的高溫下也不會溶解或粗化，因此，可以有效地阻礙位錯運(yùn)動和晶界滑移，提高室溫和高溫強(qiáng)度，同時又不明顯降低合金的導(dǎo)電性能。
[0010]本發(fā)明提供的一種氧化鋁彌散強(qiáng)化銅的制備方法，包括以下步驟:
[0011](I)制備氫氧化鋁膠體:硝酸鋁與氨水反應(yīng)生成氫氧化鋁溶膠，PH = 9 ；
[0012](2)混合:加入尺寸20-80微米的銅粉于膠體中，充分?jǐn)嚢?0-50分鐘后靜置，得到沉淀物；
[0013](3)球磨:沉淀物裝入行星球磨機(jī)中攪拌5-8小時，球料比為2:1，密封處理防止氧化。
[0014](4)微納米氧化鋁的形成:將球磨好的粉末放入真空爐內(nèi)，加入2%木炭防止氧化并通入氬氣保護(hù)，加熱至300-400°C保溫60-70分鐘。
[0015](5)壓制成型:將粉末在200_300MPa壓強(qiáng)下保壓20-30分鐘，得到壓制坯料。
[0016](6)致密性燒結(jié):將壓制坯料在940-990°C進(jìn)行真空致密性燒結(jié)60_90分鐘，隨爐冷卻。
[0017](7) 一次冷加工:將坯料在冷壓機(jī)上變形30%以上，坯料的相對密度提高到97%以上。
[0018](8)熱處理:將冷加工后的坯料于真空燒結(jié)爐內(nèi)950°C _980°C真空再結(jié)晶熱處理100-140分鐘，快速水冷20秒。再結(jié)晶熱處理過程中，坯料中的銅和氧化鋁晶粒長大，微小的缺陷減少，塑性提高，相對密度提高到99%以上；而快速水冷能夠充分發(fā)揮氧化鋁彌散質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)化作用，提高了產(chǎn)品的強(qiáng)度；該步驟能夠一次性完成銅再結(jié)晶和氧化鋁的α相晶型固溶，銅基體再結(jié)晶能夠消除微觀缺陷，氧化鋁的α相晶型固溶能夠改善產(chǎn)品的導(dǎo)電率和加工硬化率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高強(qiáng)度。
[0019](9) 二次冷加工:將坯料變形50%以上加工至規(guī)定的尺寸，進(jìn)一步提高棒坯強(qiáng)度。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明消除了內(nèi)氧化法加入氧源的危害，沒有引入雜質(zhì)氧源而降低材料的導(dǎo)電率、高溫強(qiáng)度等。膠體與銅粉達(dá)到分子級結(jié)合，形成的強(qiáng)化相氧化鋁能均勻分布在銅粉中，性能穩(wěn)定，無氧化物夾雜，成本低，適用于工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0021]圖1是溶膠凝膠法制備的氫氧化鋁與銅粉的膠體。
[0022]圖2是燒結(jié)后的掃描電鏡形貌，表面含有納米氧化鋁顆粒。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例1
[0024]硝酸鋁2.4克中滴入氨水使PH = 9，反應(yīng)生成氫氧化鋁溶膠凝膠；加入尺寸50微米銅粉1600克于膠體中，充分?jǐn)嚢?0分鐘后靜置，得到沉淀物；沉淀物裝入行星球磨機(jī)中攪拌5小時，球料比為2:1，密封處理防止氧化；將球磨好的粉末放入真空爐內(nèi)，加入2%木炭防止氧化并通入氬氣保護(hù)，加熱至350°C保溫60分鐘；將粉末在200MPa壓強(qiáng)下保壓30分鐘，冷加工后得到壓制坯料。將壓制坯料在950°C進(jìn)行真空致密性燒結(jié)60分鐘，得到致密性燒結(jié)坯料。將坯料在冷壓機(jī)上變形30%，坯料的相對密度提高到97%以上。將冷加工后的坯料于真空燒結(jié)爐內(nèi)950°C熱處理100分鐘，快速水冷15秒，提高產(chǎn)品的強(qiáng)度。將坯料壓制變形75%后獲得成品。產(chǎn)品經(jīng)檢測，性能指標(biāo)為:洛氏硬度80HRB，抗拉強(qiáng)度620Mp，斷后伸長率(短標(biāo)距)10%，導(dǎo)電率78% IACS，軟化溫度860°C，具有高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金材料的特點(diǎn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種溶膠凝膠法制備高強(qiáng)高導(dǎo)納米彌散強(qiáng)化銅的制備方法，包括以下步驟，其特征在于: (1)制備氫氧化鋁膠體:硝酸鋁與氨水反應(yīng)生成氫氧化鋁溶膠，PH= 9 ； (2)混合:加入尺寸20-80微米的銅粉于膠體中，充分?jǐn)嚢?0-50分鐘后靜置，得到沉淀物；(3)球磨:沉淀物裝入行星球磨機(jī)中攪拌5-8小時，球料比為2:1，密封處理防止氧化； (4)形成微納米氧化鋁:將球磨好的粉末放入真空爐內(nèi)，加入2%木炭防止氧化并通入氬氣保護(hù)，加熱至300-400°C保溫60-70分鐘； (5)壓制成型:將粉末在200-300MPa壓強(qiáng)下保壓20-30分鐘，得到壓制坯料； (6)致密性燒結(jié):將壓制坯料在940-990°C進(jìn)行真空致密性燒結(jié)60-90分鐘，隨爐冷卻； (7)一次冷加工:將坯料在冷壓機(jī)上變形30-50% ； (8)熱處理:將冷加工后的坯料于真空燒結(jié)爐內(nèi)940°C_970°C真空再結(jié)晶熱處理100-140分鐘，快速水冷15秒以下；(9)二次冷加工:將坯料加工成規(guī)定的尺寸，進(jìn)一步提高棒坯強(qiáng)度，加工率為50-80%。
【專利摘要】本發(fā)明開發(fā)了一種溶膠凝膠法制備高強(qiáng)高導(dǎo)納米彌散強(qiáng)化銅的制備方法。硝酸鋁中與氨水反應(yīng)生成氫氧化鋁溶膠凝膠，與銅粉充分?jǐn)嚢韬筮M(jìn)行行星球磨，放入真空爐內(nèi)分解得到微納米氧化鋁，壓制成型、真空致密性燒結(jié)后再冷變形，于真空燒結(jié)爐內(nèi)950℃-980℃熱處理100-140分鐘，快速水冷20秒以提高產(chǎn)品的強(qiáng)度。最后將坯料加工成規(guī)定的尺寸獲得成品。性能指標(biāo)具有高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金材料的特點(diǎn)。本方法的優(yōu)點(diǎn)是消除了內(nèi)氧化法加入氧源的危害，沒有引入雜質(zhì)氧源而降低材料的導(dǎo)電率、高溫強(qiáng)度等。膠體與銅粉達(dá)到分子級結(jié)合，形成的強(qiáng)化相氧化鋁能均勻分布在銅粉中，性能穩(wěn)定，無氧化物夾雜，成本低。
【IPC分類】C22C1/05, C22C9/01
【公開號】CN105039768
【申請?zhí)枴緾N201510531502
【發(fā)明人】付亞波, 陳虹宇, 徐鑫磊, 王柳幸, 徐愛嬌, 張平, 霍顔秋, 張夢賢
【申請人】付亞波, 臺州學(xué)院
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年8月26日